“叩问生命”系列
2021年4月27日下午，“叩问生命：科学与人文的交叉视角”系列活动第六场、“北大文研论坛”第136期在北京大学静园二院208会议室举行，主题为“静悄悄的战役——抗击新冠病毒中的科研与产业合作”。北京大学生命科学学院教授吴虹主持，北京大学生命科学学院陆剑研究员、肖俊宇研究员、伊成器教授与中国生物技术股份有限公司董事长、研究员杨晓明作主题发言。以下是论坛视频及文字纪要。
论坛视频
论坛纪要
论坛伊始，吴虹老师回顾了“叩问生命”系列讲座的过往活动并介绍本次论坛主题。本系列过往五讲从“什么是生命”开始，沿着进化树讨论了真核生物、植物以及人与哺乳动物关系的相关内容。本次论坛将从人与病毒的关系入手，聚焦2020年以来抗击新冠疫情中的科研与产业合作。
吴虹老师主持
陆剑老师介绍了自己课题组在新冠病毒基因组变异特征及演化动态方面的研究工作。陆剑老师先前并本不专门从事病毒研究，但在疫情爆发后积极响应，结合演化生物学的基本原理和基因组分析，带领学生探讨了病毒演化的一些基本问题。根据达尔文演化理论，所有物种都来自共同祖先，从宏观演化的尺度上看，目前的物种多样性主要是突变和自然选择共同作用的结果；从微观角度看，病毒的蔓延也是病毒变异和自然选择的过程。
陆剑老师表示，新冠病毒的起源是一个科学问题，目前国内外研究者已经进行了大量工作，但目前尚无明确的结论；通过比较基因组学分析，科学家们发现新冠病毒基因组与蝙蝠中的RaTG13病毒最为接近，基因组序列总体相似度高达96.2%，陆剑课题组推测二者间的分歧大致发生在88年前。
在新冠病毒肺炎疫情暴发的早期，人们最为关心的问题是病毒是否存在变异。陆剑课题组与合作者在2020年2月份对当时公共数据库中的103条新冠病毒全基因组序列进行分析，在149个基因组位点上观测到变异。其中绝大多数变异在病毒群体中存在的频率非常低，或者只存在某个特定株系。但令人惊奇的是8782和28144两个位点上变异频率很高，而且变异高度连锁。8782位点的变异不改变所编译的氨基酸，但28144的变异使亮氨酸（Leucine）变为丝氨酸（Serine），因此他们取其首字母分别命名为L和S谱系。
为了确定S、L两个谱系的出现顺序，他们基于最大简约法利用外群推测变异发生的先后。与蝙蝠和穿山甲中发现的冠状病毒等同源序列进行比较，他们发现尽管彼时S型占比不到30%，但其序列与动物中的对应序列在8782和28144 两个位点上几乎完全相同，因此推测S更古老且L由S演化而来，并推测L比S可能会更加流行。随后，根据全基因组序列进行的单倍型网络分析，S和L两个谱系的划分仍然显著，这一结果后续也得到了国内外其他课题组研究结果的支持。
陆剑老师表示，随着时间的推移，S谱系已逐渐消失，新冠病毒基因组也出现了一些新的特征突变，他们据此进一步将L分成了L1和L2两个亚谱系。针对这些突变很少单独发生，往往高度连锁的现象，陆剑课题组与合作者提出了“补偿性中性进化”解释，即第一个变异不利于病毒复制或传播，但随后发生的变异会产生弥补效应，因此多个变异通常会以“连锁”形式存在，在同一个株系中同时被检测到。此外，根据整理出的206个分型位点上的变异信息，他们还提出了一种具有层次结构的新冠病毒亚谱系命名系统，建立了130个亚谱系并搭建网站实时更新每个国家的谱系分布情况。
这些工作还有助于深化基础演化理论研究。比如对于病毒传播中的奠基者效应，以往主要从流行病学或生态学模型进行讨论，很少考虑病毒变异问题，陆剑课题组与中山大学吴仲义及昆明动物所吕雪梅课题组合作，开发新的分析方法，认为5至10个旅行者进入一国后便可能成为“种子”，迅速扩大传播面，从而改变病毒基因型的分布。
总的来说，目前陆剑老师及其合作者的工作集中在三个方面：新冠病毒基因组的突变和进化特征如何？新冠病毒基因组变异有怎样的传播特征，而这又将怎样助力溯源工作？新冠病毒演化特征揭示了怎样的演化理论？未来，他们将继续在这方面探索。回顾这次新冠病毒，陆剑老师认为这可能是偶然中的必然。地球上有大约160万种病毒存在于哺乳动物和鸟类中，其中的82.7万种可能会感染人类——而目前只发现有约250种病毒由人类携带。20世纪以来，重创人类的10大传染病中有6种来自野生动物。随着人类的发展，动物生存空间越发受到挤占。如何应对这些威胁？如何未雨绸缪进行科学防控？这是我们必须面对的难题。
随后，伊成器老师以“全病原体的快速检测”为题介绍了自己的相关工作。我们平时进行的核酸检测之所以能够快速开展，其基本原理是对已知的特定病毒进行靶向检测。但临床发现，除了新冠病毒引发的肺炎外患者还出现了一些复杂症状，由此，研究者怀疑是否有其他病原体同时进入导致了共感染。与核酸检测类似的特定单病原体检测无法胜任这项工作，必须依靠全病原体检测技术。
传统的全病原体检测需要经过六七个步骤，其中仅构建RNA文库便需一到两天。伊成器老师的课题组开发的新技术可以将构建文库环节的用时缩减至一到两小时，该新技术的关键是对Tn5酶的新认识。传统上，研究者认为Tn5仅对DNA双链有催化活性，但通过序列和结构分析，伊成器老师发现Tn5对RNA也有保守的催化结构域。随后通过大量实验，发现在特定条件下Tn5对RNA/DNA杂交链确实具有催化活性，基于此实现了快速建库。
新技术不仅速度快，效果也更好。一方面，即使1%的咽拭子样本也足以完成序列组装，灵敏度很高。另一方面，在样本病毒含量高至一定程度时，新技术还可实现病毒基因组的从头组装，这意味着样本包含的此前未知的新病毒也可在一次检测中实现建库。
此外，这一技术还可以帮助我们更精准地进行临床治疗。比如临床中发现对症状不同的呼吸道重症病人使用同种抗生素的效果不一，基于对全病原体的检测技术，可以发现这些病人实际上含有不同的基础病原体，因而才出现了不同的耐药性。
伊成器老师表示，除了病原体，该技术还能在分子层面检测病人的免疫反应，从而可能帮助解决一些急迫的临床需求。比如长期以来，我们苦于无法明确脓毒症、脑膜炎患者的致病病原体，因此无法对症治疗。目前伊成器老师的课题组正在尝试获取大量样本，借助机器学习建立病原体和宿主响应的对应关系，期待能在未来实现通过病人的免疫反应推测病原体，从而开展针对性治疗。这一技术还可能有助于控制疫苗接种的不良反应，目前我们仅能通过年龄和基础疾病来判断人是否适合接种疫苗，未来通过接种前后的取样，或许能更精准地在分子层面做出判断，甚至有针对性地添加相应佐剂消除不良反应。
最后，伊成器老师还介绍了自己在病毒基因组修饰方面的工作。自上世纪七、八十年代以来，很多研究发现序列之外的修饰也具有重要生物学功能。借助实验室已开发的技术，伊成器老师发现新冠病毒的3万个碱基中有11个修饰位点，这一修饰密度高于人体RNA，进一步的研究发现，人体产生的m6A修饰酶会抑制新冠病毒的复制。未来如果能够据此发展出小分子抑制剂，尽管其本身不足以成为特效药，但或许能发挥一定的辅助作用。在疫苗研发方面，基于我们对病毒修饰的认识，还可以在疫苗生产环节将修饰定制化，从而进一步提高mRNA疫苗的效价，比如使两针变成一针，甚至实现疫苗的常温储存。
第三位发言的是肖俊宇老师，报告题目为“新冠病毒中和抗体的分子机制”。他的课题组通过解析免疫球蛋白的分子结构，揭示了中和抗体发挥作用的分子机制。新冠病毒表面的S蛋白是其得以侵入人体细胞的关键。S蛋白是由三个分子组成的三聚体，其中的RBD结构域可以与人体细胞表面的ACE2直接结合，促进病毒膜与人体细胞膜融合，从而使病毒进入细胞。人体免疫系统对此并非无能为力，比如B细胞能够产生许多不同种类的中和抗体，阻止病毒进入细胞。在分子层面，很多中和抗体直接占据了RBD上原本用于与ACE2结合的空间，从而阻止病毒的S蛋白与人体细胞表面的ACE2相结合。
北京大学谢晓亮老师利用高通量单细胞测序技术实现了对高活性中和抗体的快速筛选。他们首先从康复病人体内分离B细胞并对其测序，获得产生抗体的DNA序列后合成对应抗体并逐个检验抗体活性，最终快速筛选到其中中和活性最高的抗体。肖俊宇老师利用结构生物学等手段进一步分析了这些中和抗体的结合表位，并发现BD-368-2抗体与RBD的结合不受其空间位置影响。这种全覆盖使S蛋白难以找到受体，因而BD-368-2具有非常强的中和活性。
肖俊宇老师还集中分析了一大类在世界范围内的康复病人中都非常常见的中和抗体。对它们的结构解析发现，可以根据它们与RBD的结合方式将这些抗体进一步分为两个亚类。其中第一个亚类的抗体具有两个优势：一是极易出现，二是与BD-368-2的表位完全不同。因此，它们可以与BD-368-2同时结合在RBD上。后续进行的表位分析表明，RBD上有4种互不冲突的常见表位，这意味着如果设计抗体“鸡尾酒”，可以从这四种中进行筛选。
肖俊宇老师提出，正如陆剑老师所说，RNA病毒的特点是突变率比较高，单一抗体容易被病毒以突变的形式逃逸，抗体“鸡尾酒”则可以提供更大的免疫压力，防止发生免疫逃逸。目前世界上已经出现了更流行的突变株，它们的某些位点已发生变异，导致很多中和抗体失效。
在详细介绍了英国株、南非株、巴西株和印度新毒株的位点突变情况后，肖俊宇老师指出，只有基于对抗体三维结构的认识，我们才能在更深层次的理解位点突变对特定中和抗体的影响。例如，许多抗体由于E484、K417、N501三个位点的突变已失效，但BD-515抗体仍然未受影响。
针对目前广受关注的疫苗有效性问题，肖俊宇老师认为，虽然用原始病毒株制作的疫苗应对新毒株时，会由于诱导产生的一些中和抗体已失效，导致保护作用下降，但大概率还会有一些抗体能够对抗突变株。因此，肖俊宇老师还是建议同学们尽量打疫苗。即使疫苗不能完全阻止病毒感染人体，也至少可以在较大程度上防止重症。目前高通量单细胞测序技术对中和抗体的研发已产生巨大推动，与中和抗体结构研究的相关工作也为疫苗的研发提供了重要参考。
最后一位发言的是杨晓明老师。他首先表示，就根本而言，疫苗的研发需要基础研究的突破，前面三位老师研究的都是目前亟需回答的重要问题。随后，杨晓明老师围绕疫苗一般研发流程的五个环节介绍了新冠灭活疫苗研发、生产和使用的相关情况。
在疫苗选育方面，此次研发使用集成分子、基因组和免疫学技术相结合的方式，将原先使用传统生物学筛选技术需要六七个月才能完成的选育工作缩短到16天。选出的毒株在免疫原性、细胞适应性、遗传稳定性、抗原广谱性等方面表现优异，对发生突变的英国株、南非株都可提供有效保护。在生产用细胞基质方面，为了避免之前美国轮状病毒疫苗生产中曾出现的细胞基质污染问题，本次选用的Vero细胞经过了系列鉴定以确保这一环节的安全性。
在生产工艺研究方面，除在生物安全等级3级条件下使用350升生物反应器制备灭活疫苗外。本次研发还创建了适用片状载体的细胞消化新工艺，用蜂窝型结构突破传统工艺的技术瓶颈，将载体表面积、细胞密度、病毒浓度都提升至原先的10倍以上。在纯化技术方面，传统上为了减少副反应往往采用两步或三步纯化，本次生产则使用了适于大规模疫苗生产的“一步纯化法”，大幅节约研发时间的同时，抗原纯度达99%以上。
在质量标准研究方面，除病毒灭活疫苗的10项通用指标外，研究人员还针对新冠病毒专门开发了9项检定方法，以总计近20项检定方法确保疫苗质量。在动物体内安全性和有效性评价方面，进行人体临床试验前，研发者在对7种动物进行测试后发现，新冠灭活疫苗可以诱导多种动物体内产生免疫反应，且在对恒河猴和ACE转基因小鼠注射疫苗14天后作病毒攻击测试时，数据显示免疫效果良好。
在98天快速研发后的临床研究阶段，本次采取“组间递进”的原则，同步探索免疫程序和接种剂量，将临床试验周期从两年缩短至六个月，在保证数据量不减少的情况下节省了大量时间。目前，国药集团已经达到年产量30亿剂的生产规模。
论坛最后，杨晓明老师表示，截至目前，已实现了向62个国家和地区供应新冠灭活疫苗，且覆盖范围还在继续扩大。总的来说，新冠灭活疫苗是目前全球所有获批上市的疫苗中安全性最好的，在对突变株的保护略有变化的条件下整体效果良好，为中国抗疫乃至全球抗疫做出了重要贡献。
本次论坛在线上平台同步直播，总观看量逾20万人次，引发热议。
